Разделы: Педагогика, Химия
Размещена 09.01.2025. Последняя правка: 24.01.2025.
Просмотров - 371

Применение цифровой лаборатории «Releon» и «Научные развлечения»

Манин Константин Владимирович

к.б.н.

ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии ФАНО

н.с.

Саранцев А.В., учитель физики ГАНОУ СО «Губернаторский лицей»

Введение

Сегодня важную роль в развитии общества играют цифровые «сквозные» технологии, введение которых в образовательный процесс продиктовано целями национального проекта «Цифровая экономика Российской Федерации» [1]. Установлено, что высокая степень погружения в изучаемые процессы и вовлеченность учащихся в познание позволяет повысить мотивацию к обучению, а детальная визуализация процессов повысит эффективность запоминания изучаемых элементов [1; 2]. Улучшение качества образования через обеспечение образовательных учреждений информационно-коммуникативными технологиями, создание дополнительных электронных учебных программ и практикумов, а также повышение уровня знаний и навыков учителей и учеников по использованию этих технологий является актуальной задачей для многих стран мира [2; 3; 4; 5; 6; 7]. Так, гимназия №25 города Нижнекамска успешно использует цифровую лабораторию «Наураша в стране Наурандии» на занятиях для изучения явлений окружающего мира [8]. Необходимость применения различных подходов для формирования ключевых компетенций обучающихся через дидактические игры, игровые технологии, проектно-исследовательскую деятельность рассматривается многими современными дидактами [9]. В рамках реализации международного проекта INOVEST была создана Лаборатория Интеллектуальных Систем и Технологий «ЛИСТ» на базе Минского городского института развития образования, которая позволяет создать условия для непрерывного повышения квалификации педагогических работников г. Минска в сфере использования современных технических средств обучения и способствует освоению оборудования новых цифровых лабораторий и знакомству с основами образовательной робототехники [10]. В МБОУ СОШ №1Краснодарского края успешно применяют цифровую лабораторию Einstein фирмы «Современная школа» на уроках химии в 8-10 классах, что способствут наглядности при демонстрации следующих тем: “Строение пламени спиртовки» (8 класс), «Признаки химических реакций» (8 класс), «Собирание и получение газов» (9 класс), «ОВР» (11 класс), а также во внеурочной деятельности для осуществления «Проектных работ» [11].Кроме того, цифровые лаборатории от PHYWE (Германия) включают в себя специально подобранные и адаптированные наборы с мобильным устройством для измерений и обработки данных, с беспроводными датчиками и программным обеспечением для проведения лабораторных работ и экспериментов как в классе, так и на улице [12].Необходимо отметить, что за время использования цифровых лабораторий PHYWE в России не было зафиксировано ни одного отказа продукции по причине технической неисправности [12].Кроме того, установлено, что проведение уроков по физике в параллели 9-х классов с использованием цифрового оборудования «Научные развлечения» способствовало коммуникации между учащимися и научило их структурировать и анализировать результаты физических экспериментов [13].

Поэтому в данной работе будет продолжено применение цифровых лабораторий фирм «Releon» и «Научные развлечения» в процессе обучения химии и физики по теме «Тепловые явления».

Цель исследований состояла в изучении эффективности применения цифровых лабораторий фирм «Releon» и «Научные развлечения» в процессе обучения химии и физике по теме «Тепловые явления».

Материалы и методы

Цифровые лаборатории «Releon» подходят как для базового уровня изучения естественных наук, так и для профильного обучения. Могут применяться для любых типов занятий и возрастных групп: от начальной школы (к примеру, использование датчика расстояния при знакомстве с линейкой) и заканчивая старшей школой (работая с осциллографом из комплекта для регистрации и изучения электрических сигналов).

Датчики из комплектов позволят заменить или не использовать часть устаревшего оборудования. Или, наоборот, задействовать старое для построения новых экспериментов. В нашем случае мы использовали датчик высоких температур и калориметр для наших экспериментов.

Перед началом работы необходимо установить програмное обеспечение ReleonLite для своей операционной системы с сайта производителя из раздела «Поддержка» [14]. Методики экспериментов и детальное описание датчиков прилагается к набору цифровой лаборатории.

В данном исследовании применялись датчики высокой температуры для регистрации изменений температурного режима в процессе реакции нейтрализации [15].

Поместить в химический стакан якорек магнитной мешалки и с помощью цилиндра налить в него 50 мл 1 М раствора NaOH. Поставить химический стакан с раствором щелочи на магнитную мешалку и закрепить датчик температуры в лапках штатива так, чтобы щуп был погружен в раствор. Аккуратно включить мешалку, так чтобы якорек не бился о стенки стакана и щуп датчика. Подключить датчик к планшетному регистратору или компьютеру. Запустить программу измерений ReleonLite и нажать кнопку пуск. Прилить в химический стакан с помощью другого цилиндра 50 мл 1 М раствора HNO₃ и проследить на экране за изменением температуры раствора. Дождаться стабилизации показаний датчиков в течение нескольких секунд. Зафиксировать показания и остановить сбор данных, нажав кнопку «Пауза». Вынуть из стакана датчик, промыть дистиллированной водой и осушить фильтровальной бумагой [15].

В опыте на «установление термодинамического равновесия» показывают процесс установления термодинамического равновесия между порциями воды в пробирке и стакане. Один датчик температуры помещается в пробирку, второй датчик температуры горячей водой. В пробирку с помощью шприца наливают порцию 10 мл холодной воды, вставляют пробку с датчиком и укрепляют датчик на стальном листе. Глубина погружения датчика в воду должна быть 1-2 см. В стакан наливают горячую воду из электрического чайника из-под крана и устанавливают стакан. Устанавливают второй датчик над стаканом. В меню программы выбирают сценарий «Установление теплового равновесия и количество теплоты, переданное от одного тела к другому» и запускают регистрацию данных. Опускают корпуса датчиков температуры вдоль стального листа так, чтобы пробирка с одним датчиком и второй датчик оказались в стакане с горячей водой. Не вынимая пробирки из горячей воды, в течение 1-2 мин наблюдают выравнивание температур на графике.

Исходя из изученных источников [16; 17], существует несколько наборов цифровых лабораторий, которые используется в школах Российской Федерации. Это наборы: «Цифровая лаборатория «ЛабДиск», «Цифровая лаборатория «Научные развлечения», «Цифровая лаборатория «Архимед». Министерством образования РФ рекомендована к использованию «Цифровая лаборатория «Научные развлечения», широко применяемая на уроках физике в ГАНОУ СО «Губернаторском Лицее» г. Екатеринбурга.

В 2022-2023 учебном году с помощью данного цифрового оборудования было проведено более шестнадцати уроков в параллели 9-х классов. Дети получили наглядные представления о кинематике, электричестве и магнетизме; научились структурировать и анализировать результаты физических экспериментов; с удовольствием поработали в команде, улучшая навыки коммуникации [7].

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На данном этапе применения цифровой лаборатории использовался датчик высоких температур при изучении температурных изменений в ходе реакции нейтрализации. Полученные результаты представлены на рисунке 1.

(https://flic.kr/p/2qFXrBH)

Рисунок - 1 Использование датчика высоких температур при изучении темы «Экзотермическая реакция».

Как видно на рисунке 1 величина фиксированной температуры зависит от стадии и времени прохождения химической реакции. Почти все химические реакции сопровождаются либо выделением, либо поглощением тепла (15). Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими реакциями. Продукты экзотермической реакции содержат меньший запас энергии, чем реагенты (15). В результате экзотермической реакции вещества нагреваются. Выделившееся тепло передается в окружающую среду до тех пор, пока не происходит выравнивание температур (15). Так, например, реакция кислоты с основанием – экзотермический процесс: на каждый моль образующейся воды выделяется 57,22 кДж тепла (15). Методика проведения данного опыта описана в методических разработках фирмы Releon (15).

Из приведённых на диаграмме данных видно, что величина температуры изменялась в диапазоне приведённых интервалов времени. С 4 по 22 минуту эксперимента наблюдалась первая стадия химической реакции, связанная с затратой внутренней энергии системы, что связано с добавлением кислоты к исходному раствору гидроксида натрия (рис. 1). С 22 по 31 минуту эксперимента наблюдалась вторая стадия химической реакции, связанная с выделением энергии в систему, что связано с образование продукта реакции нитрата натрия (рис. 1). Наличие соли в растворе тоже можно подтвердить, при помощи датчика, регистрирующего нитрат-анионы в растворе спустя некоторое время.

Следовательно, преимущества использования педагогом цифровой лаборатории в ходе урочной и внеурочной деятельности очевидны: эксперимент становится информационно более насыщенным, наглядным и понятным ученикам, та как получаемые в процессе проведения эксперимента результаты измерений в виде графиков и таблиц отображаются на экране [11]. Выполнение фронтальных лабораторных работ с использованием цифровых лабораторий расширяет круг возможных измерений, а также возрастает интерес к изучению химии [11]. Кроме того, применение датчика температуры позволяет наглядно увидеть на графике по изменению температур даже незначительные выделения тепла, что в обычном эксперименте показать очень проблематично [11].

На уроке по физики применялась цифровая лаборатории «Научные развлечения», где использовался датчик температур 0-120 градусов Цельсия при изучении температурных изменений в ходе установление термодинамического равновесия. Полученные результаты представлены на рисунке 2.

(https://flic.kr/p/2qGyiRi)

 

Рисунок - 2 Использование датчика температур 0-120 градусов Цельсия при изучении темы «Установление термодинамического равновесия»

 

В данном демонстрационным эксперименте исследовался процесс установление термодинамического равновесие между холодной и горячей водой. Термодинамическое равновесие — это состояние системы, при котором ее характеристики остаются постоянными со временем. В этом состоянии в системе не происходят необратимые процессы, такие как теплопередача, диффузия или химические реакции, которые могут приводить к рассеиванию энергии. Таким образом, в термодинамическом равновесии система находится в стабильном состоянии, где все её параметры, такие как температура, не изменяются. Методика проведения данного опыта описана в методических разработках фирмы Научные развлечения [18].

 

В демонстрации использовались две пробирки и два датчика, которые измеряли температурные параметры этих пробирок: одна с холодной водой, температура которой один датчик графику x, и другая емкость с горячей водой, температура которой соответствует графику г. На рисунке 2 видно, что первые 20 секунд в этот момент температура холодной воды значительно ниже, чем температура горячей воды. После того как мы помещаем пробирку с холодной водой в емкость с горячей водой. Спустя некоторое время, мы наблюдаем, что температура холодной воды начинает резко повышаться, а температура горячей воды – остается без изменений. Период изменения с температуры на кривой холодной пробирке с 25 градусов до 68 градусов соответствует принципу теплопередачи, где тепло будет передаваться от горячей воды к холодной, что приведет к изменению температур обеих пробирок. С 150 секунды видно, что обе кривые со временем выравниваются и становятся единой прямой. С этого момента можно утверждать, что наступило термодинамическое равновесие, так как температура не меняется.

 

Что касается внутренней энергии холодной воды, то в процессе теплопередачи мы можем утверждать, что внутренняя энергия системы изменяется. При повышении температуры холодной воды её молекулы начинают двигаться быстрее, что указывает на увеличение внутренней энергии. Это означает, что внутренняя энергия холодной воды увеличивается на количество тепла, полученное от горячей воды.

 

Выводы

 

Таким образом, применение данной цифровой лаборатории Releon действительно способствует развитию творческого потенциала учащихся и позволяет наглядно продемонстрировать некоторые химические эффекты. Данные, полученные в ходе эксперимента, совпадают с имеющимися данными о зависимости величины температуры от стадии прохождения химической реакции. А использование цифровой лаборатории «Научные развлечения» позволяют адаптировать учебный материал под индивидуальные потребности и уровень подготовки каждого ученика, что способствует более эффективному обучению. По графику процесса «Установление термодинамического равновесия» можно утверждать мы можем заключить, что процесс теплопередачи не только выравнивает температуры, но и приводит к значительным изменениям во внутренней энергии холодной воды.

1. Герасимова И.В., Курганова Н.А. «Электронное строение атома в виртуальной реальности: интегрированный урок химии и информатики». // «Информатика в школе», 2023, №2. URL: http://infojournal.ru/journals/school_02-2023/. 2. Ламанаускас В., Вилконис Р. «Педагогическая значимость и возможности использования обучающе-образовательной платформы дополненной реальности при обучении химии». // Конференция «Свиридовскик чтения», 2008, выпуск 4, с. 296-301. URL: http:www.researchgate.net. 3. Белохвостиков А.А. «Дополненная реальность в преподавании химии: возможности и перспективы использования». // Конференция «Свиридовскик чтения», 2018, выпуск 14, с. 131-140. URL: http:www.researchgate.net. 4. Касперский И.В., Парамонов А.И. «Применение технологии дополненной реальности на уроках химии для развития индивидуального подхода в образовании». // «Непрерывное профессиональное образование лиц с особыми потребностями: сборник статей V Международной научно-практической конференции, Минск, 14 декабря 2023. URL: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/54082 5. Шилько Ж.Н., Пиртань Д.С., Белохвостиков А.А. «Использование виртуальной реальности в обучении химии». // Вестник науки и образования, 2021. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-virtualnoy-realnosti-v-obuchenii-himii 6. Балькина Е.А. «Разработка и применение AR-приложений для изучения химии и биологии в школе». // Вестник Московского городского педагогического университета. Серия: Информатика и информатизация образования, 2023. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-primenenie-ar-prilozheniy-dlya-izucheniya-himii-i-biologii-v-shkole 7. Саранцев А.В. Современный лабораторный практикум по физике на основе цифровой лаборатории как основа внедрения ФГОС. // Современные тренды развития математики, физики, информатики в условиях реализации ФГОС : Материалы форума, Екатеринбург, 23 марта 2023 года. – Екатеринбург: Государственное автономное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Свердловской области "Институт развития образования", 2023. – 136 с. – URL: eLIBRARY ID: 54370429; EDN: BCVWWG . 8. https://fgoskomplekt.ru/blog/ispolzovanie-detskoy-tsifrovoy-laboratorii-/ 9. Новичкова А.О. «Применение цифровых лабораторий при обучении физике в системе среднего профессионального образования». Выпускная квалификационная работа Программа магистратуры «Инженерная педагогика», 2018. 10. Зык А. Н. Использование современных технических средств обучения и цифровых лабораторий в образовательной среде при организации допрофильной подготовки и профильного обучения по предметам естественно-математического цикла. URL:https://issledovatel.pro/metodologiya/lichnyy-opyt/ispolzovanie-sovremennykh-tekhnicheskikh-sredstv-obucheniya-i-tsifrovykh-laboratoriy-v-obrazovatelno/?ysclid=m5w486ngi1111565207. 11. Выскребенцева С.В. «Использование цифровых лабораторий на уроках химии и во внеурочное время». URL: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/488676-ispolzovanie-cifrovyh-laboratorij-na-urokah-h 12. https://dzen.ru/a/YI-qrX_8ui2eniut 13. Цифровая лаборатория. Методическое руководство по работе с комплектом оборудования и с программным обеспечением фирмы " Научные развлечения" / [А.Н.Болгар, О. А. Поваляев, Н. К. Ханнанов, С. В. Хоменко]. - Москва, 2011, с 89. 14. Методические разработки лаборатории «Releon» [Электронный ресурс]. URL: https://rl.ru/support 15. Методические разработки лаборатории «Releon»: Лабораторная работа №6 «Экзотермические реакции» [Электронный ресурс]. URL: https://rl.ru/support 16. Петрова М. А. “Многообразие датчиковых систем для компьютеризированного физического эксперимента”. // Вестник Пермского Государственного Гуманитарно-Педагогического Университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании, 2009, №5, с. 146-158. – URL: eLIBRARY ID: 21681314; EDN: SGLTMX. 17. Потоскуев С.Э. “Учебные цифровые лаборатории в практике общеобразовательной школы”. // Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Наука, Образование, Общество: Тенденции и Перспективы развития. - Чебоксары, 03 декабря, 2017. – URL: eLIBRARY ID: 32261816 ; EDN: YLKBFR . 18. Поваляев О.А., Ханнанов Н.К., Хоменко С.В. Механические явления. Руководство по выполнению демонстрационного эксперимента – М.: ООО «МАКССПЕЙС», 2013. – 72 с.

Рецензии:

10.01.2025, 19:41 Кузнецов Вячеслав Алексеевич
Рецензия: Рецензия Кузнецова Вячеслава Алексеевича на статью «Использование цифровых лабораторий «Releon» и «Научные развлечения» в обучении химии и физике». Статья подчеркивает актуальность и значимость темы исследования. Она акцентирует внимание на положительном влиянии цифровых технологий на образовательный процесс, улучшении визуализации и мотивации учащихся. Однако, предлагаю несколько рекомендаций для повышения научной значимости работы: 1. Углубить описание конкретных экспериментов, а также представить количественные данные и статистический анализ, что сделает статью более убедительной. 2. Расширить обсуждение, уточнив, как использование цифровых лабораторий способствует развитию ключевых навыков учащихся, таких как аналитическое и критическое мышление. 3. Включить больше примеров успешного применения цифровых лабораторий в других образовательных учреждениях или странах, что позволит продемонстрировать универсальность подхода. 4. Обеспечить доступность всех источников из списка литературы и проверить актуальность ссылок. 5. Добавить более подробное описание методологии исследования, включая выборку, инструменты и методы анализа данных, чтобы повысить прозрачность исследования. Эти рекомендации призваны улучшить качество статьи, повысить её научную ценность и убедительность. Статья имеет потенциал для публикации с учетом внесения предложенных правок.

12.01.2025, 10:37 Барабанов Родион Евгеньевич
Рецензия: В содержании работы рассматриваются новые образовательные технологии. Сложность и одновременно новизна работы заключаются в организационно-обучающей и развивающей специфике как самого предмета (дисциплины), так и группы обучающихся. Актуальность исследования заключается в применении инновационных средств обучения. Рассматриваемая в данной работе проблема крайне важна в контексте современного развития педагогической науки. Сформулированные авторами тезисы позволили определить основные направления организации эмпирического исследования. Однако авторами не был проведен количественный и качественный анализ данных на констатирующем этапе работы с группой учащихся, не была дана их убедительная интерпретация. Статистические методы должны быть подобраны в соответствии с целями исследования. Иллюстрация полученных данных должна быть представлена посредством таблиц и диаграмм, что делает их наглядными и убедительными. Представленные в работе гипотезы были подтверждены частично. В работе есть дискуссионные фрагменты по интерпретации результатов. Статья может быть рекомендована к печати после внесения дополнений.

14.01.2025, 11:18 Костогладова Любовь Петровна
Рецензия: 14.01.25.Костогладова Любовь Петровна Научная и практическая значимость статьи очевидна. Материал, представленный в работе, актуален и интересен и актуален. Статья рекомендована для публикации.

14.01.2025, 16:27 Макарова Наталья Александровна
Рецензия: Научная публикация автора Манина К.В. "Применение цифровой лаборатории «Releon» и «Научные развлечения»" написана на актуальную тему. В статье сформулирована цель. При этом из раздела "Материалы и методы" непонятно какие материалы использовал автор в работе и что он подразумевал под понятием материалы. Также в работе недостаточно полно описаны методики проводимых исследований. Целесообразно к поставленной цели сформулировать задачи и более точно сформулировать выводы, опираясь на поставленные задачи. Считаю, что статью автора Манина К.В. необходимо конкретизировать и доработать.

15.01.2025, 13:25 Балтаева Мухаббат Матназаровна
Рецензия: Научная публикация автора Манина К.В. "Применение цифровой лаборатории «Releon» и «Научные развлечения»" написана на очень актуальную тему. Применение цифровой лаборатории действительно способствует развитию творческого потенциала учащихся и позволяет наглядно продемонстрировать некоторые химические эффекты. При этом можно экономить и время и вещество для эксперимента. Самое главное, можно провести эксперименты повторно. И это позволяют адаптировать учебный материал под индивидуальные потребности и уровень подготовки каждого ученика, что способствует более эффективному обучению. Но в работе недостаточно полно описаны методики проводимых исследований. Но это никак не влияет на смысль статьи. Статья может быть рекомендована к печати. С уважением Балтаева М.М.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий